[논문]광자결정 광섬유기반 광신호 분배기 개발

윤민석; 이상배; 한영근

doi:10.3807/kjop.2010.21.5.195

광자결정 광섬유기반 광신호 분배기 개발
Development of a Ultra Broadband Optical Coupler Based on a Photonic Crsytal Fiber 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.5, 2010년, pp.195 - 199

윤민석 (한양대학교 물리학과) , 이상배 (한국과학기술연구원) , 한영근 (한양대학교 물리학과)

초록
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본 논문에서는 광자결정 광섬유를 이용하여 1000 nm 의 광대역폭을 갖는 광신호 분배기를 구현하였다. 제작에 사용된 광자결정 광섬유의 지름은 $130{\mu}m$ 이고 6층의 공기 구멍 구조로 이루어져 있다. 광신호 분배기는 두 가닥의 광자결정 광섬유에 열을 가함과 동시에 인장력을 가해 제작하였으며 제작된 광자결정 광섬유 기반 광신호 분배기의 지름은 $23{\mu}m$ 이었다. 광신호 분배기의 제작 시 인장시키는 길이에 따라 대역폭과 bandedge가 조절되었다. 제작된 광자결정 광섬유 기반 광신호 분배기의 대역폭이 1000 nm에서 50:50의 광신호 분해 효율을 가지는 것으로 측정되었다. 광자결정 광섬유의 공기 구멍 구조의 특성으로 인해 주변온도의 변화에 영향을 받지 않는 특성을 나타낸다. Optical coherence tomography의 분해능이 광원의 대역폭에 비례하므로 광대역폭을 갖는 광자결정 광섬유 기반 광신호 분배기는 신호 추출을 위한 간섭계 구성에 핵심적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A broadband optical coupler with a broad bandwidth of 1000 nm based on a photonic crystal fiber (PCF) is investigated. The PCF has 6 layers of air hole structures and a diameter of $130{\mu}m$. The PCF-based coupler is fabricated by using a fused biconical tapering method based on heating and elongation processes. Changing temperature and an elongation length can control the bandwidth and the bandedge wavelength of the PCF-based broadband coupler. The diameter of the fused region in the PCF-based coupler was measured to be $23{\mu}m$. The fabricated PCF-based coupler has a nearly-flat coupling ration of 3-dB in a broad bandwidth of 1000 nm, which is wider than that of the previously reported PCF-based coupler and that of the single-modefiber-based coupler. Since the resolution of optical coherence tomography system is proportional to the bandwidths of both an optical light sources and an interferometer, the fabricated PCF-based broadband optical coupler has a great potential for realization of a broadband interferogram.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대역폭이 1000 nm 인 광자결정 광섬유 기반 광섬유 분배기를 제작하고 그 광학적 특성을 파악 하였다. 육각형 모양의 6층의 공기층 구조를 갖는 광자결정 광섬유를 모세관 적층 방법을 이용하여 제작하였고 공기층의 지름과 공기층간 간격, 코어의 지름은 각각 3.
본 실험에서는 광자결정 광섬유 분배기를 제작하기 위해 모세관 적층 방법을 이용해 6층의 주기적인 공기층을 갖는 구조의 광자결정 광섬유를 제작 하였다. 120개의 모세관을 제작하고자 하는 형태로 적층한 뒤 광섬유의 코어부분을 만들기 위해 가운데의 모세관을 실리카 봉으로 대체 한다.

제안 방법

본 실험에서는 광자결정 광섬유 분배기를 제작하기 위해 모세관 적층 방법을 이용해 6층의 주기적인 공기층을 갖는 구조의 광자결정 광섬유를 제작 하였다. 120개의 모세관을 제작하고자 하는 형태로 적층한 뒤 광섬유의 코어부분을 만들기 위해 가운데의 모세관을 실리카 봉으로 대체 한다. 적층된 모세관은 석영 튜브에 삽입하여 전기로를 이용해 인장하는 과정을 통해 광자결정 광섬유가 제작된다.
이 때 고려하여야 할 요소로는 인장 속도, 열원의 온도, 열원의 이동속도, 열원과 광섬유와의 거리 등이 있다. 광자결정 광섬유 분배기의 특성을 측정하기 위해 White light source에서 나오는 빛을 광자결정 광섬유에 통과 시킨 뒤 광스펙트럼 분석기로 관찰하였다. 특히 두 광자결절 광섬유 사이에서 결합되기 시작하면 결합비가 급격하게 변하기 때문에 인장 속도를 정확하고 정밀하게 조절해야 한다.
본 논문에서는 6층 구조의 공기 구멍을 가지는 광자결정 광섬유에 FBT 방법을 적용하여 광자결정 광섬유 분배기를 제작하고 제작된 광자결정 광섬유 분배기의 주변 환경의 온도 변화에 따른 특성과 제작 시 광섬유를 늘리는 길이에 따른 특성을 측정 하였다. 제작된 광자결정 광섬유 광신호 분배기는 700 ~ 1700 nm 의 대역폭에 3 dB 결합비를 나타내었으며 넓은 대역폭에 걸쳐 3 dB 결합비를 갖도록 하기 위해서는 FBT 방법으로 제작하는 과정에서 광자결정 광섬유의 공기층이 파괴되지 않도록 하기 위해 가열하는 온도, 늘리는 길이, 늘리는 속도 등의 요소들을 정확하게 조절하였다.
열온의 온도는 700℃로 일정하게 유지하였으며 실험실의 온도 변화는 최대한 억제하여 온도 변화가 ±2℃가 유지되었고 인장 길이를 정밀하게 조절하여 최종적으로 광자결정 광섬유 분배기를 제작하였다.
육각형 모양의 6층의 공기층 구조를 갖는 광자결정 광섬유를 모세관 적층 방법을 이용하여 제작하였고 공기층의 지름과 공기층간 간격, 코어의 지름은 각각 3.0 μm, 5.2 μm, 그리고 7.0 μm로 측정되었다.
이 광자결정 광섬유에 FBT 방법을 적용해 넓은 대역폭을 갖는 광자결정 광섬유 분배기를 제작 하였다. 그림 2는 FBT 방법을 이용해 광자결정 광섬유 분배기를 제작하는 개략도를 나타내고 있다.
그림 4(a)는 광자결정 광섬유 기반 광신호 분배기를 제작할 때의 인장 길이에 따른 분배기의 광학 특성을 나타낸 것으로 광신호 분배가 이루지는 과정에서 bandedge의 이동 정도를 나타내고 있다. 인장 길이에 따른 bandedge 변화를 측정하기 위해서 해당 파장 영역에서 두 출력단자의 스펙트럼을 측정하였다. 인장시의 불꽃의 온도는 700℃이며, bandedge는 광자결정 광섬유 분배기의 결합비가 50:50이 시작되는 지점이다.
본 논문에서는 6층 구조의 공기 구멍을 가지는 광자결정 광섬유에 FBT 방법을 적용하여 광자결정 광섬유 분배기를 제작하고 제작된 광자결정 광섬유 분배기의 주변 환경의 온도 변화에 따른 특성과 제작 시 광섬유를 늘리는 길이에 따른 특성을 측정 하였다. 제작된 광자결정 광섬유 광신호 분배기는 700 ~ 1700 nm 의 대역폭에 3 dB 결합비를 나타내었으며 넓은 대역폭에 걸쳐 3 dB 결합비를 갖도록 하기 위해서는 FBT 방법으로 제작하는 과정에서 광자결정 광섬유의 공기층이 파괴되지 않도록 하기 위해 가열하는 온도, 늘리는 길이, 늘리는 속도 등의 요소들을 정확하게 조절하였다.

성능/효과

인장시의 불꽃의 온도는 700℃이며, bandedge는 광자결정 광섬유 분배기의 결합비가 50:50이 시작되는 지점이다. 그림 4(b)는 인장길이에 따른 bandedge의 이동 정도로 광자결정 광섬유 분배기는 인장 길이를 늘릴수록 bandedge가 단파장대로 이동하는 특성을 보였고 인장길이가 2 mm 늘어났을 때 bandedge가 단파장 방향으로 35 nm 이동했다. 이를 이용하면 광자결정 광섬유 분배기를 제작할 때 대역폭과 중심파장의 선택이 가능해 진다.
실험 결과 광자결정 광섬유 분배기는 OSA의 측정 한계 범위인 700 ~ 1700 nm 에 걸쳐 1000 nm의 파장 영역에 50:50의 결합비를 갖는 대역폭을 형성함을 알 수 있다. 광자결정 광섬유의 삽입 손실이 1.6 dB로 높기 때문에 분배기를 제조한 후에도 높은 삽입 손실을 보였으며 측정 결과는 1553.5 nm 파장에서 2.3 dB로 나타났다. 그리고 50:50 결합비를 갖는 대역폭에서의 삽입 손실의 변화가 존재하였으며 변화폭은 0.
3 dB로 나타났다. 그리고 50:50 결합비를 갖는 대역폭에서의 삽입 손실의 변화가 존재하였으며 변화폭은 0.5 dB로 측정되었다. 편광 의존 손실은 1553.
열온의 온도는 700℃로 일정하게 유지하였으며 실험실의 온도 변화는 최대한 억제하여 온도 변화가 ±2℃가 유지되었고 인장 길이를 정밀하게 조절하여 최종적으로 광자결정 광섬유 분배기를 제작하였다. 실험 결과 광자결정 광섬유 분배기는 OSA의 측정 한계 범위인 700 ~ 1700 nm 에 걸쳐 1000 nm의 파장 영역에 50:50의 결합비를 갖는 대역폭을 형성함을 알 수 있다. 광자결정 광섬유의 삽입 손실이 1.
외부온도를 20℃에서 180℃까지 증가시켰으나 대역폭 변화는 크지 않았으며 평균적으로 약 ±1.3 nm의 변화를 나타내는 것으로 측정되었다.
0 μm로 측정되었다. 제작된 광자결정 광섬유를 FBT 방법에 적용하여 넓은 대역폭의 광자결정 광섬유 분배기를 제작하였고 광자결정 광섬유 분배기를 제작할 때 인장 길이에 따른 대역폭과 중심파장의 조절이 가능함을 확인하였다. 제작된 광자결정 광섬유 분배기의 넓은 대역폭 특성을 이용하면 파장 다중 분할 시스템을 위한 다양한 광소자와 OCT 시스템과 같은 넓은 영역의 파장 대역폭을 필요로 하는 간섭계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
그림 6에서 실제 홈이 파인 석영관에 패키징 처리한 광자결정 광섬유 기반 광신호 분배기의 사진을 나타내고 있다. 제조된 광자결정 광섬유 분배기의 1000 nm에 이르는 넓은 대역폭 특성은 파장 다중 분할 시스템과 OCT 시스템과 같은 넓은 대역폭의 사용을 필요로 하는 소자에 적용 시 기존의 200 nm로 제한되어 있던 단일모드 광섬유 분배기의 대역폭으로 인한 한계를 극복할 수 있을 것으로 사료된다. 특히, OCT 시스템의 경우 OCT 시스템의 분해능이 사용 가능한 대역폭의 크기에 비례하기 때문에 광자결정 광섬유 분배기를 이용하면 고 분해능의 OCT 시스템의 구성이 가능할 것이다.

후속연구

제작된 광자결정 광섬유를 FBT 방법에 적용하여 넓은 대역폭의 광자결정 광섬유 분배기를 제작하였고 광자결정 광섬유 분배기를 제작할 때 인장 길이에 따른 대역폭과 중심파장의 조절이 가능함을 확인하였다. 제작된 광자결정 광섬유 분배기의 넓은 대역폭 특성을 이용하면 파장 다중 분할 시스템을 위한 다양한 광소자와 OCT 시스템과 같은 넓은 영역의 파장 대역폭을 필요로 하는 간섭계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광자결정 광섬유 분배기 제작 시 어떤 방법을 이용할 수 있는가?	광자결정 광섬유 분배기는 이러한 광자결정 광섬유 기반의 중요한 소자 중 하나로 단일모드 광섬유 분배기와는 달리 광대역에 걸쳐 편평한 형태의 결합비율을 갖는 특성을 나타내며 이러한 특성은 optical coherence tomography (OCT)와 파장 다중 분할 통신 시스템과 같은 광대역의 소자를 요하는 분야에 유용하게 쓰일 가능성이 크다. 광자결정 광섬유 분배기는 주로 2개의 D 형태의 광자결정 광섬유를 접합하는 방법과 두 가닥의 광자결정 광섬유를 꼬아 인장시키는 방법인 fused biconical tapered (FBT) 방법으로 제작된다.
	광자결정 광섬유는 어떤 방법으로 클래딩의 유효 굴절률 및 정규화 주파수를 조절하는가?	광자결정 광섬유는 실리카 코어 주변에 공기층이 주기적으로 분포해있는 구조로 주기적인 공기층의 분포로 인하여 발생하는 photonic bandgap 효과를 이용하여 빛을 코어로 진행 시킨다. 코어 주변의 공기층이 주기적으로 분포해 있는 경우 공기층의 직경과 공기층 간의 거리를 조절하여 클래딩의 유효 굴절률 및 정규화 주파수 등을 조절 할 수 있다[8, 9]. 기존의 단일모드 광섬유는 코어와 클래딩의 굴절률 차이가 0.
	광자결정 광섬유의 특성은 무엇인가?	정보 통신 시스템과 파장 다중 분할 통신 시스템의 발달에 따라 광대역을 갖는 광소자들에 대한 중요성이 부각되고 연구가 활발해 지고 있다. 광자결정 광섬유는 광대역 단일모드 특성과 독특한 분산특성, 높은 비선형성으로 인하여 광대역을 갖는 광소자의 재료로 주목 받아 왔으며, 그 결과 고 복굴절 광자결정 광섬유 루프 미러, supercontinuum 광원, 모드결합을 이용한 광자 결정 광섬유 소자 와 같은 광자결정 광섬유 기반의 소자들이 활발히 개발되어 왔다[1-7]. 광자결정 광섬유는 실리카 코어 주변에 공기층이 주기적으로 분포해있는 구조로 주기적인 공기층의 분포로 인하여 발생하는 photonic bandgap 효과를 이용하여 빛을 코어로 진행 시킨다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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H. Kim, J. Kim, U. C. Paek, and B. H. Lee, “Tunable photonic crystal fiber coupler based on a side-polishing technique side-polishing technique,” Opt. Lett. 29, 1194-1196 (2004).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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